(成都廣播電視大學(xué) 開放教育學(xué)院，成都 610051)

嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王琰

(成都廣播電視大學(xué)開放教育學(xué)院，成都610051)

針對當(dāng)前圖像傳輸過程易出現(xiàn)信息丟失、耗時(shí)過長等問題，提出一種嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;該設(shè)計(jì)方法基于STM32模式，通過STM43模式連接電源電路、接口電路、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸電路模塊，到監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，將監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)與客戶端相連實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像傳輸，最后分別對監(jiān)控信號處理模塊和圖像檢測模塊的算法進(jìn)行優(yōu)化;實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效避免了圖像傳輸中圖像信息丟失現(xiàn)象，具有實(shí)踐價(jià)值。

STM32模式；監(jiān)控圖像；傳輸控制

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，各行業(yè)中對于圖像傳輸過程提出了更高的要求[1]。監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)圍繞著監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、監(jiān)控圖像管理和監(jiān)控圖像傳輸控制支持在軟件開發(fā)中需要遵守的原則[2]，將計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)學(xué)等結(jié)合起來，借鑒傳統(tǒng)的方法及原則對監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)[3]。當(dāng)前的監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)并不能很好地圍繞著該原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能滿足現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的需求[4-5]。在這種情況下，如何使軟件工程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)的更加完善，使軟件開發(fā)更加順利安全，成為目前急需解決的問題[6]?；赟TM32模式的軟件工程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)方法，可以有效解決上述問題[7]。

文獻(xiàn)[8]提出一種基于LABVIEW的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)方法。該方法設(shè)計(jì)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)硬件，制定開發(fā)任務(wù)書。該方法具有實(shí)用性與先進(jìn)性，但軟件工程監(jiān)控的結(jié)果不清晰。文獻(xiàn)[9]提出一種基于GPRS的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸系統(tǒng)方法。對當(dāng)前的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行升級，對系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行分析。然后對該系統(tǒng)的硬件設(shè)備和參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的概述，利用GPRS對遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行剖析。該系統(tǒng)雖然效率較高，但是實(shí)現(xiàn)的過程略繁瑣。文獻(xiàn)[10]提出一種基于uIP和RFID的實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)方法。該方法分析J2EE開發(fā)技術(shù)以及Web開發(fā)技術(shù)。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中，首先對系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境以及開發(fā)路線進(jìn)行介紹，其次對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，給出系統(tǒng)中的主要功能模塊運(yùn)行界面，最后對系統(tǒng)測試進(jìn)行討論。該方法實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)的速度較快，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本較高。

針對上述產(chǎn)生的問題，提出一種基于STM32模式的嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效避免了圖像傳輸中圖像信息丟失現(xiàn)象，具有實(shí)踐價(jià)值。

1 嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)方法

1.1 圖像傳輸控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于Zigbee+多Socket的輪對圖像傳輸與處理硬件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了多路輪對圖像傳輸與處理的硬件架構(gòu)，整個系統(tǒng)分成圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、Zigbee邏輯控制模塊和Socket數(shù)據(jù)處理模塊。介紹了TCP/IP協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)，完成基于硬件協(xié)議棧芯片W5300的以太網(wǎng)功能模塊設(shè)計(jì)；對Zigbee與Socket之間的數(shù)據(jù)接口電路以及外擴(kuò)的CortexA8和Linux存儲器接口進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并完成了整個系統(tǒng)硬件平臺的搭建。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖像在經(jīng)過壓縮編碼后通過串行口直接發(fā)送出去，通信協(xié)議控制模塊完成串行通信協(xié)議控制。以電話屏幕圖像為例，在使用時(shí)，通過接收軟件撥打遠(yuǎn)端發(fā)送方的電話號碼，監(jiān)控現(xiàn)場的攝像機(jī)所拍攝的圖像便顯示在接收方的電腦上，接收該圖像的同時(shí)，用接收軟件可以控制鏡頭的轉(zhuǎn)動，還可以接收到的圖像保存在接收端電腦硬盤上，用錄像播放器可以隨時(shí)播放，如果想要對某一時(shí)刻圖像進(jìn)行仔細(xì)觀看，可以選擇視頻菜單中的抓拍。圖像傳輸系統(tǒng)的輸入端口決定了連接攝像機(jī)的數(shù)量。在圖像傳輸過程中，通過接收軟件可調(diào)節(jié)圖像分辨率、圖像的清晰度和傳輸速率。其中，圖像的清晰度和傳送速率成反比，圖像愈清晰，傳輸速度愈慢。

1.2 監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

L1是共模電感，而L2，L3是差模電感，是用來抑制監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸過程中騷擾電場生成的共模的干擾以及差模的干擾，電感量應(yīng)該盡量大一些，由此監(jiān)控管理系統(tǒng)抗干擾的效果更好。

圖2 監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)傳輸電路圖

D21為36 V的TVS管，圖中的C14為2 kV高壓電容，如果線路中存在高壓脈沖，浪涌管會馬上導(dǎo)通，通過高壓電容把高壓脈沖經(jīng)地線放掉，連接在線間安規(guī)電容，以濾除監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸中的雜波。從而使嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信號傳輸更加穩(wěn)定。

在實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)傳輸電路中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)墓╇婋娐繁话惭b在其內(nèi)部，其中包含監(jiān)控器與傳感器供電，上圖只給出了供電的電路外部的輸出端電磁干擾電路，其外部24 V輸出的是供電電路，為監(jiān)控管理系統(tǒng)傳感器提供供電的輸出端。內(nèi)部電路包含發(fā)射功率放大器、低噪聲接收放大器以及晶體振蕩器等電路，在圖像信息接收模式中，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號被低噪聲放大器放大。

1.3 Camera Link接口電路設(shè)計(jì)

Camera Link接口電路圖中，為了提高接口電路通用性，使該接口電路能夠適應(yīng)系統(tǒng)中的各種設(shè)備，除了采取光電耦合器對其進(jìn)行隔離，還在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)輸入端口根據(jù)可調(diào)節(jié)電位器Rw對電路信號的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變跳線器S1的插塊位置，以適應(yīng)電路信號極性變化。多路跳線器S2輸出端I1.1～I(xiàn)8.1利用監(jiān)控系統(tǒng)總線的輸入單片機(jī)I/O來擴(kuò)展接口，該接口電路可以容納多個設(shè)備的信號輸入，通過實(shí)驗(yàn)完成了Camera Link接口相機(jī)圖像的采集和顯示。

圖3 Camera Link接口電路設(shè)計(jì)

1.4 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊主要利用監(jiān)控信號處理，并估計(jì)監(jiān)控圖像像素導(dǎo)數(shù)值，從而完成監(jiān)控圖像檢測。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)模塊設(shè)計(jì)圖

1.5 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊將圖像數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行各路轉(zhuǎn)換，監(jiān)控系統(tǒng)的終端包括電源電路、接口電路、傳輸電路以及監(jiān)控管理模塊，這幾個模塊分別將接收到的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中，PC機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)向監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集發(fā)出指令，每隔1 s軟件對監(jiān)控裝置內(nèi)的各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集，將獲取的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，利用電源電路、接口電路、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸電路以及監(jiān)控管理模塊相通，完成軟件工程管理系統(tǒng)整體構(gòu)造的設(shè)計(jì)。

1.6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)電源電路圖中，根據(jù)操作節(jié)569KA的常閉聯(lián)鎖導(dǎo)致665KA經(jīng)常自鎖電路的情況，加上570QS后，665KA依靠自鎖電路獲得電流，監(jiān)控裝置也將得到電流，裝二極管Ⅰ的原因是如果系統(tǒng)電源斷開570QS之后，將向401線供電的電源切斷，二極管Ⅱ的安裝是避免監(jiān)控裝置短路，從而使465線失電。由此電源電流可以更通常地為系統(tǒng)提供電。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)電源電路圖

2 STM32遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像

2.1 監(jiān)控圖像切換檢測模塊

利用Sobel算子對監(jiān)控圖像進(jìn)行檢測。其原理是利用卷積估計(jì)各個監(jiān)控圖像像素點(diǎn)的u與v方向的導(dǎo)數(shù)值，將圖像的中心像素點(diǎn)與離它最近的像素點(diǎn)融合，該像素點(diǎn)為8個3*3方形窗，所輸出的9個圖像像素點(diǎn)，各像素點(diǎn)乘一個系數(shù)之后再相加。這個系數(shù)一般為一個卷積表。將上述的3*3方形窗所輸出的9個圖像像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)(P1,P2，…,P9)，和卷積表做卷積，獲得G(u)與G(v)，對G(u)與G(v)分別取絕對值，然后相加，獲得最后結(jié)果G(u,v)，就是3*3方形窗中心像素點(diǎn)利用Sobel邊緣檢測得到的結(jié)果。上述計(jì)算的完成根據(jù)流水方式，劃分為5級流水，可以使每個監(jiān)控圖像均可獲得一個計(jì)算結(jié)果。運(yùn)算過程如下：

G(u)=-P1+P3-2P4+2P6-P7+P9=

[(P3+P9)+(P6+P6)]-[(P1+P7)+(P4+P4)]

(3)

G(v)=P1+2P2+P3-P7-2P9=

[(P3+P1)+(P2+P2)]-[(P8+P8)+(P7+P9)]

(4)

G(u,v)=|G(u)|+|G(v)|

(5)

綜上可知，第一級是8個加法，第二級是4個加法，第三級是2個減法，第四級是2個取絕對值的運(yùn)算，第五級是1個加法，根據(jù)該計(jì)算結(jié)果完成檢測。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像信號采集處理模塊

在嵌入式STM32環(huán)境中對監(jiān)控圖像系統(tǒng)的監(jiān)控信號進(jìn)行處理，為了減小噪聲對信號處理的影響，在監(jiān)控信號處理過程中，利用小波變換中的軟硬閾值消噪法不同的特點(diǎn)，加入α因子，并提出了一種折中的軟硬閾值方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像信號的處理，具體的估計(jì)公式為：

(6)

由上式可知，當(dāng)α取值為0與1時(shí)，上式就是硬閾值與軟閾值的估計(jì)方法，該方法簡單、方便，可以有效改進(jìn)軟硬閾值去噪法的缺點(diǎn)，得到更好的去噪效果，還可以進(jìn)一步提升監(jiān)控圖像信號的信噪比。

去噪之后嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像信號的信噪比取決于α因子大小，α越大，監(jiān)控信號失真就越嚴(yán)重，震蕩就越??；α越小，監(jiān)控信號失真就越少，震蕩就越嚴(yán)重。分解尺度大小對去噪之后的監(jiān)控信號信噪比有很大影響，如果分解的尺度過小，那么就不可以將信號噪聲與信號徹底分離，如果分解的尺度太大，那么將會造成嚴(yán)重的監(jiān)控信號失真。α因子太大或者太小或者分解尺度的變化均會使信噪比降低，因此必須選擇適合的α因子和分解尺度。在本文中將信噪比作為目標(biāo)函數(shù)，對α因子和分解尺度的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，獲取了最優(yōu)的α值和最優(yōu)的分解尺度，最佳的去噪效果和最高信噪比增益。信噪比RSNR表示如下：

(7)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證明基于STM32模式的嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)方法的整體性能，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，在POSIX的環(huán)境下搭建嵌入式圖像監(jiān)控管理實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自于北京凱思昊鵬軟件工程技術(shù)有限公司，觀察本文所提方法的可行性。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)控的脈沖電壓為60 V，受干擾設(shè)備處電壓峰值為353.563 mV，保證監(jiān)控電壓不對監(jiān)控中的設(shè)備造成損壞，可以有效減弱脈沖電壓干擾，在整個實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)控主電源接入24 V的開關(guān)電源，實(shí)驗(yàn)備用電源接入的是24 V蓄電池。打開監(jiān)控主電源，將任意1小時(shí)的嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像調(diào)出，利用不同方法對該段監(jiān)控圖像進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)分別利用不同方法，對凱思昊鵬軟件工程技術(shù)有限公司某一具體軟件開發(fā)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控時(shí)間為1小時(shí)。

2)利用監(jiān)控電路中的核心器件CD40106通過直流供電的大小，改變監(jiān)控信號的幅值，觀察不同方法在1小時(shí)內(nèi)個別時(shí)間段的傳輸誤碼率，監(jiān)控信號處理所用能耗，以及得到的監(jiān)控信號所占監(jiān)控系統(tǒng)存儲空間大小。

3)采用不同方法對監(jiān)控圖像傳輸時(shí)的能耗及遺漏率進(jìn)行對比，增加圖像傳輸控制系統(tǒng)的效率及精度。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示

表1是不同方法嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸耗時(shí)對比。

表1 不同方法監(jiān)控圖像傳輸時(shí)間對比

在表1中，文獻(xiàn)[8]所提方法的傳輸時(shí)間與文獻(xiàn)[10]方法的傳輸時(shí)間差不多，但明顯高于本文方法傳輸同等數(shù)量圖像的耗時(shí)，且本文方法傳輸2500幅圖像所需時(shí)間在10JZs以內(nèi)，由此可以證明本文所提方法的有效性與實(shí)時(shí)性能。

表2是不同方法監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)占系統(tǒng)存儲空間對比。

表2 不同方法監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)占系統(tǒng)存儲空間對比 KB

由表2可知，在不等的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)下，文獻(xiàn)[9]所提方法監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)占系統(tǒng)存儲空間，明顯要比本文所提方法監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)所占系統(tǒng)存儲空間大。文獻(xiàn)[9]所提方法對圖像監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，沒有設(shè)置數(shù)據(jù)庫建設(shè)的具體指標(biāo)，導(dǎo)致監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)所占系統(tǒng)存儲空間較大。本文所提方法監(jiān)控管理主系統(tǒng)構(gòu)造中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集模塊發(fā)揮了重要作用，它將采集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將冗余監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了過濾，減少了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)所占系統(tǒng)存儲空間。圖7是不同方法監(jiān)控信號處理所用能耗(ε)對比。設(shè)該能耗單位為ε。

圖7 不同方法監(jiān)控圖像傳輸所用能耗對比

分析圖7可知，圖像傳輸所用能耗應(yīng)隨著，監(jiān)控處理所用時(shí)間的增加而增加，本文所提方法監(jiān)控信號處理所用能耗，要遠(yuǎn)少于文獻(xiàn)所提方法監(jiān)控圖像信號處理所用能耗。本文所提方法利用了小波變換中的軟硬閾值消噪法不同的特點(diǎn)，并加入了α因子，提出了一種折中的軟硬閾值方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信號的處理，減少了監(jiān)控信號處理所用能耗。進(jìn)一步證明了本文所提方法的可靠性。圖8是在不同信噪比(dB)下，不同方法監(jiān)控圖像傳輸?shù)穆?%)對比。下式為誤碼率(%)計(jì)算公式：

(7)

由圖8可知，本文所提方法監(jiān)控圖像傳輸?shù)倪z漏率，相比文獻(xiàn)所提方法的圖像傳輸遺漏率較低。因?yàn)楸疚姆椒▽⑿旁氡茸鳛槟繕?biāo)函數(shù)，對α因子和分解尺度的選擇進(jìn)行優(yōu)化，獲取最優(yōu)α值和最優(yōu)分解尺度，最佳去噪效果和最高信噪比增益，大大減少圖像傳輸?shù)倪z漏率，增加本文所提方法的可信度。

實(shí)驗(yàn)證明，本文所提方法對遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有適用性，最大程度地減少軟件開發(fā)時(shí)出現(xiàn)的各種意外狀況，有利于提高軟件開發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，具有較高實(shí)際意義。

圖8 不同方法監(jiān)控圖像傳輸遺漏率對比

4 結(jié)束語

針對當(dāng)前嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)傳輸速度慢、信息遺漏的現(xiàn)象，提出一種基于STM32模式的嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效避免當(dāng)前方法的漏洞。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，所提方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有圖像信息傳遞完整、耗時(shí)少的優(yōu)點(diǎn)，為未來嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像傳輸控制系統(tǒng)開發(fā)提供幫助。

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DesignofEmbeddedRemoteRealTimeMonitoringImageTransmissionControlSystem

Wang Yan

(Open Education Institute, Chengdu Radio & TV University, Chengdu 610051,China)

In view of the current information transmission process prone to loss of information, time-consuming and so on, this paper proposes a design method of embedded remote real-time monitoring image transmission control system. The design method based on STM32 mode, connect the power supply circuit, interface circuit, data transmission circuit module through the STM43 mode, to the overall structure of monitoring image transmission control system, the monitoring of image data by IP network and client connected monitoring image transmission, finally on Algorithm of monitoring signal processing module and the image detecting module is optimized. Experimental results show that the designed system effectively avoids the loss of image information in image transmission and has practical value.

STM32 mode; monitoring images; transmission control

2017-07-22；

2017-08-14。

王 琰(1979-)，男，四川犍為人，工學(xué)碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)與設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0274-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.070

TP311

A